高分子的力学性能

1、Polymer Physics高分子物理高分子物理Mechanical PropertiesTensile 拉伸n拉伸强度，拉伸（杨氏）模量，断裂伸长率，屈服强度，100定伸应力Impact 冲击n悬臂梁，简支梁，落锤n缺口，无缺口Banding 弯曲n强度，模量Friction 摩擦n摩擦系数，磨损量Stress-strain curve 应力-应变曲线0AF000lllllTensile stressTensile strainTrue stress 拉伸应力拉伸应变真应力A0FFl0 llAFATypical stress-strain curveY: yield pointB: bre

2、ak pointYoungs Modulus 屈服点断裂点杨氏模量byby0YBy: yield strength 屈服强度b: break strength 断裂强度y: elongation at yield 屈服伸长率y: elongation at break 断裂伸长率Tensile strength 拉伸强度byt,tanEFracture energy 断裂能: OYB面积YBMolecular motion during tensile test 拉伸过程中高分子链的运动I Elastic deformationIII Viscous flow 普弹形变普弹形变键长键角运动，可

3、回复键长键角运动，可回复强迫高弹形变强迫高弹形变链段沿外力方向取向链段沿外力方向取向加热至加热至T Tg g以上可恢复以上可恢复粘流形变粘流形变整链相互滑移或断链整链相互滑移或断链不可回复不可回复by0YBIIIIIIII Forced rubber-like deformationTypes of stress-strain curve 应力-应变曲线的类型序号序号12345类型类型硬而脆硬而脆硬而强硬而强强而韧强而韧软而韧软而韧软而弱软而弱曲线曲线模量模量高高高高高高低低低低拉伸强度拉伸强度中中高高高高中中低低断裂伸长率断裂伸长率小小中中大大很大很大中中断裂能断裂能小小中中大大大大小小实例

4、实例PS PMMA酚醛树脂酚醛树脂硬硬PVCASPC ABS HDPE硫化橡胶硫化橡胶软软PVC未硫化橡胶未硫化橡胶齐聚物齐聚物软软硬：模量硬：模量强强弱：拉伸强度弱：拉伸强度韧韧脆：断裂能脆：断裂能True stress-strain curve 真应力-应变曲线True stress 真应力AF1000AllAA110AFy0无体积变化且均匀变形Considre drawing Considre作图法How to find yield point in true stress-strain curve?屈服点定义y010dd101112dd1dd在真应力在真应力-应变图上从横坐标点应变图上

5、从横坐标点 = 1向曲线上作切线，其切点就是屈服点，向曲线上作切线，其切点就是屈服点，对应的真应力就是屈服真应力。对应的真应力就是屈服真应力。Three types of true stress-strain curve 三种真应力-应变曲线从横坐标点不能向曲线上作切线，这种聚合物拉伸时随负荷增大而均从横坐标点不能向曲线上作切线，这种聚合物拉伸时随负荷增大而均匀伸长，但不能成颈。匀伸长，但不能成颈。从横坐标点可向曲线上作一条切线，切点即为屈服点，聚合物拉伸时从横坐标点可向曲线上作一条切线，切点即为屈服点，聚合物拉伸时随负荷增大而均匀伸长，到切点时成颈，随后细颈逐渐变细，负荷下随负荷增大而均匀伸

6、长，到切点时成颈，随后细颈逐渐变细，负荷下降直至断裂。降直至断裂。从横坐标点可向曲线上作二条切线，在从横坐标点可向曲线上作二条切线，在A处达极大值，成颈，进一步拉处达极大值，成颈，进一步拉伸时沿曲线下降直至伸时沿曲线下降直至B点，之后应力稳定在点，之后应力稳定在B点。细颈稳定，试样被冷点。细颈稳定，试样被冷拉，直至试样全部变成细颈，最后，进一步拉伸则继续发展直至断裂。拉，直至试样全部变成细颈，最后，进一步拉伸则继续发展直至断裂。AB00011Cold drawing 冷拉Neck细颈q 脆性聚合物在断裂前试样并没脆性聚合物在断裂前试样并没有明显变化，断裂面一般与拉有明显变化，断裂面一般与拉伸方

7、向垂直，而且很光洁伸方向垂直，而且很光洁q 韧性聚合物在屈服后产生细颈韧性聚合物在屈服后产生细颈（neck），之后细颈逐渐扩展，），之后细颈逐渐扩展，应变增加而应力不变，这种现应变增加而应力不变，这种现象称为象称为冷拉冷拉（cold drawing），），直至细颈扩展到整个试样，应直至细颈扩展到整个试样，应力才重新增加并使试样断裂力才重新增加并使试样断裂q 冷拉是强迫高弹形变，对于非冷拉是强迫高弹形变，对于非晶聚合物，主要是链段取向；晶聚合物，主要是链段取向；对于结晶聚合物，主要是片晶对于结晶聚合物，主要是片晶的变形的变形Necking and cold drawingPrinciple of

8、 Yielding 屈服原理q 韧性聚合物在屈服点时常可看到试样韧性聚合物在屈服点时常可看到试样上出现与拉伸方向成约上出现与拉伸方向成约45 角倾斜的角倾斜的剪切滑移变形带（剪切滑移变形带（Shear band)，并，并且逐渐生成对称的细颈且逐渐生成对称的细颈Analysis of the stress during tensile testF/FF0AA聚合物为什么会屈服？屈服后为什么会产生细颈？聚合物为什么会屈服？屈服后为什么会产生细颈？ AFcos0AA sin/FF cosFF 2sin21cossin00/AFAF2020coscosAFAF2sin210/20cos00/04520

9、/20900/0q韧性材料拉伸时，斜截面上的最大切应力首先增加到材料的剪切强韧性材料拉伸时，斜截面上的最大切应力首先增加到材料的剪切强度，因此材料屈服，并出现与拉伸方向成度，因此材料屈服，并出现与拉伸方向成45 角的剪切滑移变形带。角的剪切滑移变形带。进一步拉伸时，剪切带中由于分子链高度取向强度提高，暂时不发进一步拉伸时，剪切带中由于分子链高度取向强度提高，暂时不发生进一步的变形。而其边缘则进一步发生剪切变形。同样，在生进一步的变形。而其边缘则进一步发生剪切变形。同样，在135 的斜截面上也发生剪切变形，因而试样逐渐生成对称的细颈，直至的斜截面上也发生剪切变形，因而试样逐渐生成对称的细颈，直至

10、细颈扩展至整个试样细颈扩展至整个试样q脆性试样在最大切应力达到剪切强度之前，横截面上的法向正应力脆性试样在最大切应力达到剪切强度之前，横截面上的法向正应力已达到材料的拉伸强度，因此试样还来不及屈服就断裂了，而且断已达到材料的拉伸强度，因此试样还来不及屈服就断裂了，而且断面与拉伸方向相垂直。面与拉伸方向相垂直。Principle of Yielding 屈服原理Shear band and Craze 剪切带和银纹剪切带剪切带q 剪切带是韧性聚合物在单向拉伸至屈剪切带是韧性聚合物在单向拉伸至屈服点时出现的与拉伸方向成约服点时出现的与拉伸方向成约45 角倾角倾斜的剪切滑移变形带斜的剪切滑移变形带q

11、 剪切带的厚度约剪切带的厚度约1 m，在剪切带内部，在剪切带内部，高分子链沿外力方向高度取向高分子链沿外力方向高度取向q 剪切带内部没有空隙，因此，形变过剪切带内部没有空隙，因此，形变过程没有明显的体积变化程没有明显的体积变化q 剪切带的产生与发展吸收了大量能量。剪切带的产生与发展吸收了大量能量。同时，由于发生取向硬化，阻止了形同时，由于发生取向硬化，阻止了形变的进一步发展变的进一步发展Shear band 剪切带裂缝裂缝银纹银纹Shear band and Craze 剪切带和银纹q 银纹是聚合物在应力作用下，于材料的某些银纹是聚合物在应力作用下，于材料的某些薄弱环节出现应力集中而产生局部的

12、塑性形薄弱环节出现应力集中而产生局部的塑性形变和取向，以至于在材料表面或内部垂直于变和取向，以至于在材料表面或内部垂直于应力方向上出现的微细的空化条纹状形变区应力方向上出现的微细的空化条纹状形变区Craze 银纹q 银纹的长约银纹的长约100 m、宽约、宽约10 m、厚约、厚约1 m，外形与裂缝，外形与裂缝（Crack）相似，但裂缝内部是空的，而银纹内部有许多高）相似，但裂缝内部是空的，而银纹内部有许多高度取向的聚合物微纤，这些微纤把银纹体的两个面连接起来度取向的聚合物微纤，这些微纤把银纹体的两个面连接起来并沿外力方向取向，微纤之间为空隙隔开。银纹体中聚合物并沿外力方向取向，微纤之间为空隙隔开

13、。银纹体中聚合物的体积分数约为的体积分数约为4060%。银纹进一步发展，以至于微纤断。银纹进一步发展，以至于微纤断裂时，就成为裂缝裂时，就成为裂缝q 银纹形变导致的体积增加，而截面积基本不变银纹形变导致的体积增加，而截面积基本不变q 银纹的产生与发展吸收了大量能量银纹的产生与发展吸收了大量能量Shear band and Craze 剪切带和银纹q 银纹和剪切变形带是聚合物形变的两种主要形式银纹和剪切变形带是聚合物形变的两种主要形式q 某种聚合物采取什么形式主要取决于其临界缠结分子量某种聚合物采取什么形式主要取决于其临界缠结分子量Mc，非晶态聚合物的分子量达到，非晶态聚合物的分子量达到Mc以上

14、时就会产生分以上时就会产生分子间缠结，形成物理交联点子间缠结，形成物理交联点q PS等脆性聚合物的等脆性聚合物的Mc（19000）较大，缠结点密度低，）较大，缠结点密度低，缠结链伸长的长度大，容易产生银纹缠结链伸长的长度大，容易产生银纹q PC等韧性聚合物的等韧性聚合物的Mc（2490）较小，缠结点密度高，）较小，缠结点密度高，缠结链伸展较困难，容易发生应变硬化，这种情况下银缠结链伸展较困难，容易发生应变硬化，这种情况下银纹化形变不会得到充分发展，当应力增大到剪切屈服应纹化形变不会得到充分发展，当应力增大到剪切屈服应力时，试样即可产生剪切形变力时，试样即可产生剪切形变Griffith Frac

15、ture Theory Griffith断裂理论q 该理论由该理论由Griffith于于60年前为解释玻璃纤维的年前为解释玻璃纤维的断裂强度而提出，目前广泛应用于金属和非断裂强度而提出，目前广泛应用于金属和非金属材料的断裂现象金属材料的断裂现象 q Griffith认为，实际的脆性固体在受到外力作认为，实际的脆性固体在受到外力作用时，由于局部不均匀性，会在垂直于主应用时，由于局部不均匀性，会在垂直于主应力方向上产生裂缝，在裂缝的两端产生应力力方向上产生裂缝，在裂缝的两端产生应力集中。当局部应力超过材料的内聚力时，就集中。当局部应力超过材料的内聚力时，就会导致裂缝增长并进而使材料断裂会导致裂缝增

16、长并进而使材料断裂 Stress Concentration 应力集中应力集中2b2am00Stress distribution near an ellipsoid在无限大的平板上刻一椭圆孔。在垂直于长轴方向施以均在无限大的平板上刻一椭圆孔。在垂直于长轴方向施以均匀张应力，则在椭圆孔附近存在应力集中，两端的应力最匀张应力，则在椭圆孔附近存在应力集中，两端的应力最大。大。Lnglis导得导得 bam210am02椭圆椭圆裂缝裂缝a b裂缝尖端曲率半径Griffith Equation GriffithGriffith方程方程q Griffith线弹性断裂理论从能量平衡的观点分析线弹性断裂理论从

17、能量平衡的观点分析断裂过程。认为断裂过程。认为q 断裂产生的新表面所需要的表面能是由材料内部的断裂产生的新表面所需要的表面能是由材料内部的弹性储能的减少来补偿的弹性储能的减少来补偿的q 裂缝附近集中了大量的弹性储能，所以材料在裂缝裂缝附近集中了大量的弹性储能，所以材料在裂缝处先行断裂处先行断裂sWAU裂缝面积弹性储能单位面积裂缝的表面能212aEsc裂缝发展裂缝发展的条件的条件表面能弹性模量临界临界应力应力Griffith Equation KI KIC 时破坏时破坏212aEscGriffith Equation Easc221应力强度因子应力强度因子Stress Intensity Fac

18、tor 应力强度因子应力强度因子21IaKKIC材料本身材料本身的性质的性质 C 时破坏时破坏Molecular Theory 断裂的分子理论q 分子理论认为，材料的断分子理论认为，材料的断裂是松弛过程，宏观断裂裂是松弛过程，宏观断裂是微观化学键断裂的热活是微观化学键断裂的热活化过程。当原子热运动的化过程。当原子热运动的无规热涨落能量超过束缚无规热涨落能量超过束缚原子间的位垒时，会使化原子间的位垒时，会使化学键离解，从而发生断裂学键离解，从而发生断裂 ，这个过程与时间有关这个过程与时间有关q 材料从完好状态到断裂的材料从完好状态到断裂的时间称为承载寿命时间称为承载寿命q 外力降低了活化位垒，致

19、外力降低了活化位垒，致使寿命降低，即材料易断使寿命降低，即材料易断裂裂U0U0DistanceEnergyAABPotential barrier of a chemical bondBlue: without stressRed: with stressActivation energy of fracture 断裂活化能断裂活化能q 在拉伸应力作用下，材料寿命与应力的关系为在拉伸应力作用下，材料寿命与应力的关系为RTU00expRTUC0ln聚合物聚合物断裂活化能断裂活化能U0 103 J/mol热分解活化能热分解活化能U 103 J/molPVC146134PE226230PMMA226

20、218222PP235230243PTFE314318335Nylon66118180聚合物断裂活化能与聚合物断裂活化能与热分解活化能的比较热分解活化能的比较断裂活化能活化体积测定不同测定不同 、T下的下的ln ，就可求得就可求得U0，发现与热，发现与热分解活化能相当接近，分解活化能相当接近，说明假设正确说明假设正确Theoretical strength 理论强度q 从分子结构的角度看，聚合物之所以有抵抗从分子结构的角度看，聚合物之所以有抵抗外力破坏的能力，主要靠分子内的化学键和外力破坏的能力，主要靠分子内的化学键和分子间的范德华力和氢键分子间的范德华力和氢键q 如果不考虑其他因素的影响，可

21、以由微观角如果不考虑其他因素的影响，可以由微观角度计算出聚合物的理论强度度计算出聚合物的理论强度q 为了简化问题，把聚合物断裂的微观过程归为了简化问题，把聚合物断裂的微观过程归纳为三种纳为三种q 化学键破坏化学键破坏 q 分子间滑脱分子间滑脱 q 范德华力或氢键破坏范德华力或氢键破坏Chain scission 断链q 断裂截面上所有高分子链的化学键同时破坏断裂截面上所有高分子链的化学键同时破坏化学键键能d1.5nm时化学键破坏根根/N109 . 3m105 . 1/J108 . 591019dEf根J108 . 5molkJ35019E破坏一根化学键所需的力高分子链的截面积单位面积的高分子链

22、数218m105根N根2nm2 . 0A2102189mN102m105N109 . 3根根fNMPa1024破坏单位面积破坏单位面积化学键所需的力化学键所需的力Chain slippage 分子间滑脱q 高分子链平行于受力方向排列，使与断裂截面高分子链平行于受力方向排列，使与断裂截面上所有高分子链有关的分子间作用力（包括范上所有高分子链有关的分子间作用力（包括范德华力和氢键）同时破坏德华力和氢键）同时破坏MPa10215粗略估算粗略估算断裂面上高分子链的数目与前者相同，由断裂面上高分子链的数目与前者相同，由于高分子的摩尔内聚能比共价键键能大于高分子的摩尔内聚能比共价键键能大510倍，故理论强

23、度约为倍，故理论强度约为12 105MPaDestroy of Van der Waals bond 范德华键破坏q 高分子链垂直于受力方向排列，使断裂截面两高分子链垂直于受力方向排列，使断裂截面两侧高分子链间的分子间作用力（包括范德华力侧高分子链间的分子间作用力（包括范德华力和氢键）同时破坏和氢键）同时破坏MPa800400粗略估算粗略估算高分子的高分子的截面积为截面积为0.2nm2，纵剖面积为纵剖面积为100nm 0.5nm=50nm2，断裂截面上的断裂截面上的链数是前者的链数是前者的0.2/50，故理论强度约为，故理论强度约为12 105/250=400800MPaTensile Str

24、ength of Practical Polymers 实际高分子的拉伸强度q 聚合物的实际强度为聚合物的实际强度为10100MPa，与理论，与理论强度相比有巨大的差距强度相比有巨大的差距q 主要原因主要原因q 由于材料内部存在各种缺陷，缺陷造成的应力由于材料内部存在各种缺陷，缺陷造成的应力集中使局部区域的应力远高于平均应力集中使局部区域的应力远高于平均应力q 因为破坏总是先发生在某些薄弱环节，不可能因为破坏总是先发生在某些薄弱环节，不可能是那么多的化学键或分子间作用力同时破坏是那么多的化学键或分子间作用力同时破坏q 高分子材料的聚集态结构不可能象理论计算时高分子材料的聚集态结构不可能象理论计

25、算时那么规整那么规整 Tensile Properties of PolymersPolymerTensile Strength, MPaElongation at break, %Youngs Modulus, MPaLDPE223960150840950PS35631328003500PMMA49772103200PP344220070012001400PVC-U3563204025004200Nylon-66836032003300PET802002900POM626860752800PC676010022002400PPO8690308026002800PTFE142525035040

26、0Factor influencing Tensile Strength 影响高分子拉伸强度的因素q内因内因q链结构链结构q聚集态结构聚集态结构q分子间作用力分子间作用力qq外因外因q温度温度q应变速率应变速率q Chain Structure 链结构极性极性氢键氢键刚性刚性分子量分子量交联交联拉伸强度拉伸强度Crystallization 结晶q结晶形态结晶形态伸直链晶体伸直链晶体串晶串晶球晶球晶q结晶度结晶度q球晶尺寸球晶尺寸拉伸强度拉伸强度Orientation 取向q取向方向取向方向拉伸强度拉伸强度q垂直于取向方向垂直于取向方向模量模量拉伸强度拉伸强度模量模量断链或分子间滑脱断链或分子

27、间滑脱范德华键破坏范德华键破坏Defects 缺陷q材料受力时在裂缝、孔隙、缺口、材料受力时在裂缝、孔隙、缺口、杂质等缺陷附近的局部范围造成杂质等缺陷附近的局部范围造成应力集中，从而应力集中，从而严重降低严重降低材料的材料的拉伸强度拉伸强度Deformation rate 应变速率q 链段运动是松弛过程，外力的链段运动是松弛过程，外力的作用使松弛时间下降作用使松弛时间下降q 若链段运动的松弛时间与外力若链段运动的松弛时间与外力作用速率相适应，材料在断裂作用速率相适应，材料在断裂前可发生屈服，出现强迫高弹前可发生屈服，出现强迫高弹性，表现为韧性断裂性，表现为韧性断裂q 若链段的松弛跟不上外力作用

28、若链段的松弛跟不上外力作用速率，材料在断裂前不发生屈速率，材料在断裂前不发生屈服，表现为脆性断裂服，表现为脆性断裂RTaEexp0应力活化能拉伸冲击实验拉伸冲击实验 用材料高速拉用材料高速拉伸条件下的强度表征材料的韧性伸条件下的强度表征材料的韧性 0.05 inch/min0.05 inch/min0.25 inch/min0.25 inch/min1.25 inch/min1.25 inch/min5 inch/min5 inch/min20 inch/min20 inch/minStress-strain curve of PSTensile rateTensile rateTempera

29、ture 温度q 降低温度与提高外力作用速率有同样的效果降低温度与提高外力作用速率有同样的效果q 温度升高，材料变软变韧温度升高，材料变软变韧q 温度下降，材料变硬变脆温度下降，材料变硬变脆拉伸速率 温度 T Tg50T Tg拉伸速率和温度对断裂点的影响拉伸速率和温度对断裂点的影响不同温度区间的应力不同温度区间的应力-应变曲线应变曲线Brittle-ductile Transformation脆韧转变屈服应力T T 屈服应力和断裂应力与温度和应变速率的关系屈服应力和断裂应力与温度和应变速率的关系断裂应力屈服应力 断裂应力q 材料从脆性断裂向韧性断裂的转变材料从脆性断裂向韧性断裂的转变.Rein

30、forcing of Polymers 高分子的增强q 高分子材料的强度和模量远低于金属高分子材料的强度和模量远低于金属和陶瓷，在作为结构材料使用时需要和陶瓷，在作为结构材料使用时需要增强，最常用的方法是加入增强材料增强，最常用的方法是加入增强材料q 连续纤维连续纤维q 短纤维（含晶须）短纤维（含晶须）q 粉体（纳米粒子）粉体（纳米粒子）q Fiber reinforcing 纤维增强fmffucuVVf1)(*q 聚合物基复合材料聚合物基复合材料q 由两种或两种以上连续相物质进行复合，其中一相由两种或两种以上连续相物质进行复合，其中一相起增强作用，另一相对增强材料起敛集粘附作用，起增强作用，

31、另一相对增强材料起敛集粘附作用，所形成的复合物各组份保持原物质的同一性，并使所形成的复合物各组份保持原物质的同一性，并使复合物的性质有重要改进复合物的性质有重要改进q 复合材料的极限强度复合材料的极限强度纤维拉纤维拉伸强度伸强度纤维断裂应变纤维断裂应变时基体的应力时基体的应力纤维体纤维体积分数积分数几种结构材料的力学性能几种结构材料的力学性能材料材料 密度密度 拉伸强度拉伸强度 弹性模量弹性模量 比强度比强度 比模量比模量 MPa MPa MPa MPa 钢钢 7.8 1030 210000 130 27000 铝合金铝合金 2.8 470 75000 170 26000 钛合金钛合金 4.5

32、 960 114000 210 25000 玻璃纤维玻璃纤维/不饱和聚酯不饱和聚酯 2 1060 40000 530 20000 高强度碳纤维高强度碳纤维/环氧树脂环氧树脂 1.5 1500 140000 1030 97000 高模量碳纤维高模量碳纤维/环氧树脂环氧树脂 1.6 1070 240000 670 150000 芳纶纤维芳纶纤维/环氧树脂环氧树脂 1.4 1400 80000 1000 57000 硼纤维硼纤维/环氧树脂环氧树脂 2.1 1380 210000 660 100000 硼纤维硼纤维/铝铝 2.7 1000 200000 380 57000 Short fiber re

33、inforcing 短纤维增强fmcffucuVLLVf121)(*q 临界纤维长度临界纤维长度纤维强纤维强度极限度极限纤维断裂应变纤维断裂应变时基体的应力时基体的应力纤维体纤维体积分数积分数msftcDL,2q LLc时，复合材料的极限强度时，复合材料的极限强度纤维直径纤维直径纤维拉纤维拉伸强度伸强度基体剪切强度基体剪切强度纤维纤维长度长度Particulates reinforcing 粒子增强q 橡胶补强橡胶补强q 碳黑或白碳黑起交联点的作用碳黑或白碳黑起交联点的作用橡橡 胶胶拉伸强度，拉伸强度，MPa未增强未增强增强增强非结晶性非结晶性硅橡胶硅橡胶*0.3413.7丁苯橡胶丁苯橡胶1.

34、9619.0丁腈橡胶丁腈橡胶1.9619.6结晶性结晶性天然橡胶天然橡胶19.031.4氯丁橡胶氯丁橡胶14.725.0丁基橡胶丁基橡胶17.618.6* * 白碳黑白碳黑Impact Strength 冲击强度q 冲击强度是表征材料韧性的一种强度指标冲击强度是表征材料韧性的一种强度指标q 常用的冲击试验方法有常用的冲击试验方法有q 悬臂梁冲击试验（含无缺口和有缺口两种悬臂梁冲击试验（含无缺口和有缺口两种试样）试样）q 简支梁冲击试验（含无缺口和有缺口两种简支梁冲击试验（含无缺口和有缺口两种试样）试样）q 落重式冲击试验落重式冲击试验q 高速拉伸试验高速拉伸试验q Charpy Impact

35、Strength 简支梁冲击强度简支梁冲击强度q 简支梁冲击强度定义为试简支梁冲击强度定义为试样受冲击载荷而折断时单样受冲击载荷而折断时单位截面积所吸收的能量位截面积所吸收的能量 bdwiCharpy testP冲断试样所消耗的功db剩余厚度宽度kJ/m2Izod Impact Strength 悬臂梁冲击强度悬臂梁冲击强度q 悬臂梁冲击强度定义为试悬臂梁冲击强度定义为试样受冲击载荷而折断时单样受冲击载荷而折断时单位缺口宽度所吸收的能量位缺口宽度所吸收的能量 bwi bP冲断试样所消耗的功宽度J/mIzod testFactor influencing toughness 影响高分子韧性的因素

36、q内因内因q链结构链结构q聚集态结构聚集态结构q分子间作用力分子间作用力qq外因外因q温度温度q应变速率应变速率q Temperature 温度q 越接近越接近Tg，韧性越大，韧性越大q 温度升高，材料变软变韧温度升高，材料变软变韧q 温度下降，材料变硬变脆温度下降，材料变硬变脆拉伸速率 温度 T Tg50T Tg拉伸速率和温度对断裂点的影响拉伸速率和温度对断裂点的影响不同温度区间的应力不同温度区间的应力-应变曲线应变曲线高韧性塑料Deformation rate 应变速率q 若链段运动的松弛时间若链段运动的松弛时间与外力作用速率相适应，与外力作用速率相适应，材料在断裂前可发生屈材料在断裂前可

37、发生屈服，表现为韧性断裂服，表现为韧性断裂q 若链段的松弛跟不上外若链段的松弛跟不上外力作用速率，材料在断力作用速率，材料在断裂前不发生屈服，表现裂前不发生屈服，表现为脆性断裂为脆性断裂Stress-strain curve of PS 0.05 inch/min0.05 inch/min0.25 inch/min0.25 inch/min1.25 inch/min1.25 inch/min5 inch/min5 inch/min20 inch/min20 inch/minTensile rateTensile rate应变速率应变速率韧性韧性Chain Structure 链结构极性极性氢键

38、氢键刚性刚性交联交联韧性韧性支化支化Crystallization 结晶结晶度结晶度球晶尺寸球晶尺寸冲击强度冲击强度Orientation 取向q垂直于取向方向的冲击强度垂直于取向方向的冲击强度提高提高Defects 缺陷q材料受力时在裂缝、孔隙、缺口、材料受力时在裂缝、孔隙、缺口、杂质等缺陷附近的局部范围造成杂质等缺陷附近的局部范围造成应力集中，从而应力集中，从而严重降低严重降低材料的材料的拉伸和冲击强度拉伸和冲击强度q大量的同类小缺陷可同时诱发大大量的同类小缺陷可同时诱发大量空穴或银纹，吸收冲击能，反量空穴或银纹，吸收冲击能，反而有利于提高冲击强度而有利于提高冲击强度Toughening

39、of Polymers 高分子的增韧q常用的方法常用的方法q 弹性体增韧弹性体增韧q 刚性有机粒子增韧刚性有机粒子增韧q 超细无机粒子增韧超细无机粒子增韧q Rubber toughening 橡胶增韧 增强橡胶增强橡胶增韧塑料增韧塑料橡胶橡胶塑料塑料q 达到良好增韧效果的条件达到良好增韧效果的条件q 橡胶相作为分散相存在橡胶相作为分散相存在q 橡胶相与塑料相有良好的界面粘接力橡胶相与塑料相有良好的界面粘接力q 橡胶相的橡胶相的Tg远低于使用温度远低于使用温度Sample Composition (g) Impact strength (kJ/m2) PS 1.0 PS/LLDPE 85/15

40、 1.1 PS/LLDPE/SBS 85/15/9 8.8 PS/LLDPE/SBS/DCP 85/15/9/0.1 7.8 PS/LLDPE/SBS/BR 85/15/9/7 3.4 PS/LLDPE/SBS/BR/DCP 85/15/9/9/0.1 17.8 聚苯乙烯的增韧聚苯乙烯的增韧PS: polystyrene; LLDPE: linear low density polyethylene; BR: butadiene rubber; SBS: styrene-butadiene-styrene copolymer; DCP: dicumyl peroxideSEM microgra

41、ph of the fracture surface of PS/EPDM/SBS blends85/10/1085/20/085/15/1085/20/10Mechanical properties of the PS/EPDM (85/n) binary blends n（wt）Impact Strength（KJ/m2）Tensile Strength（MPa）Elongation at Break（）（）Tensile Modulus（MPa）Bending Strength（MPa）Bending Modulus（MPa）01.2942.05.88.5044.3455.651.363

42、1.07.66.0139.6388.5101.5326.810.94.9434.5307.2152.1421.49.44.7530.1250.1202.5420.517.03.6427.9224.3251.8420.310.63.8725.5199.8Mechanical properties of the PS/EPDM/SBS (85/n/10) ternary blendsEPDM（wt）Impact Strength（KJ/m2）Tensile Strength（MPa）Elongation at Break（）（）Tensile Modulus（MPa）Bending Strength（MPa）Bending Modulus（MPa）02.0337.16.58.6927.5262.953.0731.57.57.7835.9257.3106.2327.66.56.8433.6249.81511.224.86.96.0630.6230.42022.521.210.67.9525.7217.52526.318.438.94.4424.0206.5Mechanism of rubber tough